книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

факторов, действующих на осадочные горные породы в естест­ венном залегании, и оценке пределов возможных изменений этих факторов с глубиной было показано, что давление на глубинах до 10 км может достигать 2500 кГ/см2, пластовое давление — 1000 кГ/см2 и температура — 250—300° С. Отсутствие возмож­ ности одновременного воздействия на породу трех основных

Рис. 5. Камера высокого давления установки Дахнова, Добрынина п Пет­ рова [67].

1 — приспособление для выдвижения камеры; 2 — образец породы; 3 — рсзипован обойма; 4 — термопара; 5 — корпус камеры; 6 — термостатирующая печь;. 7 — крышка камеры; 8 — корпус поршня; 9 — изоляционный вкладыш; 10 — втулка; 11 — изоля­ ционный наконечник; 12 — платиновый электрод; 13 — поршень гидропресса.

факторов (ре1р 1 и I) ограничивает применимость этих установок

для решения многих задач. Кроме того, в рассмотренных установ­ ках измерение физических параметров проводится на разных образцах, что исключает сопоставление значений различных физических характеристик в одинаковых термодинамических условиях.

Во Всесоюзном научно-исследовательском институте геофизи­ ческих методов разведки (ВНИИГеофизике) под руководством и при участии автора совместно с А. А. Матвеенко, 3. Б. Стефанкевнчем

и С. И. Асписовым в 1962 г. были разработаны и изгото­ влены несколько моделей установок УФС высокого давления и температуры для исследования физических параметров осадоч­ ных горных пород в условиях, соответствующих глубинам до 10 км и удовлетворяющих требованиям, изложенным в разделе 1. Эксплуатация двух установок более семи лет показала надеж­ ность работы их основных узлов и возможность решения многих геолого-геофизических задач по исследованию физических свойств пород при различных соотношениях давления и температуры.

Рис. 6. Гидравлическая схема установки УФС ВНИ ИГеофизики.

Установка УФС ВНИИГеофизики, предназначенная для ком­ плексного определения физических параметров пород при воз­ действии внешнего и норового давлений и повышенной темпера­ туры, состоит из пяти самостоятельных узлов, соединенных систе­ мой трубопроводов и соединительных проводов, обеспечивающих включение отдельных узлов и контроль за их работой (рис. 6). В комплект установки входят: камера высокого давления, раздели­ тельный цилиндр, насос высокого давления и мультипликатор, система регулирования давления и температуры и аппаратура для измерения физических параметров.

Установка обеспечивает одновременное создание внешнего всестороннего давления до 2500 кГ/см2 и норового давления до 1000 кГ/см2 при температуре до 250° С. При указанных величинах давлений и температур могут быть одновременно или раздельно измерены несколько физических параметров, в частности, скорость упругих волн, удельное электрическое сопротивление, диэлектри­ ческая проницаемость, пористость, плотность, сжимаемость, ыефте-, газо- и водопроницаемость и др.

Камеры высокого давления представляют цилиндрические толстостенные сосуды, изготовленные из паковок стали 12ХНМ и ОХНЗМ. Основная камера (рис. 7), предназначенная для экс­ периментов, эталонирования установки и других исследований, имеет высоту 900 лш, диаметр 300 мм. Полезной емкостью является

через штуцер, а внутреннее норовое давление — через капилляр­ ные трубки. Последние соединены с электродами с помощью сталь­ ных конусов, установленных в затворе. Внутри камеры располо­ жена полая цилиндрическая печь. Электропитание печи осущест­

ной. Камеры отличаются по габаритам и способу нагрева. Полезная емкость их уменьшается до 1,2 л, нагрев осуще­ ствляется цилиндрической печью, внутри которой находится камера.

Для разделения сред, заполняющих норовое пространство образца, от масляной системы высокого давления предназначены разделительные цилиндры. Разделительный цилиндр предста­ вляет собой толстостенный цилиндрический сосуд, ограниченный резьбовым двухступенчатым затвором: первая ступень — резино­ вые уплотнения, вторая — металлическое кольцо. В рабочем пространстве цилиндра находится подвижной поршень, который

переменном токе для определения удельного электрического сопротивления, капиллярных систем для -измерения пористости, установки для определения проницаемости и других вспомога­ тельных приборов и установок.

Основным элементом измерительной системы является кернодержатель с исследуемым образцом и измерительными датчиками. Кернодержатель, используемый для одновременного измерения скорости упругих волн, удельного электрщческого сопротивления, пористости и проницаемости, схематически изображен на рис. 8.

Образец породы 1 цилиндрической формы диаметром 2,5— 10 см и длиной 3—40 см помещается в маслостойкий резиновый манжет 2. Два полых электрода 3 для измерения сопротивлений по двухэлектродной схеме прижимаются к торцам образца. Кон­ такт электродов с образцом осуществляется через перфорирован-

ную пластинку 4, завинчиваемую в электрод. Для улучшения контакта электрода с образцом и уменьшения переходного сопро­ тивления пластинки покрыты серебром с подслоем меди. К полым электродам 3 приварены стальные капиллярные трубки 5, про­ пущенные через два конуса в затворе камеры й соединенные с по­ мощью переходников со стеклянными капиллярами .на пульте

пластинок фторопластовыми кольцами 9, установленными между датчиками и прижимными пластинками.

Для герметизации" пьезодатчиков от среды, передающей давле­ ние, применяются специальные корпуса [102], внутри которых помещается пьезоэлемент. Отметим, что для измерения скорости поперечных волн наряду со сдвиговыми датчиками в камерах высо­ кого давления применяют также способ трансформации продоль­ ной волны в поперечную с помощью «клиньев», или способ крити­ ческого угла [102].

Существующие устройства для определения изменения пори­ стости при пластовом давлении [15, 51, 67] обеспечивают измере­ ния только при низких пластовых давлениях (до 300—400 кГ/слг).

Между тем, различие влияния внутреннего и внешнего давлений на деформацию породы более четко проявляется при высоких поровых давлениях. Поэтому в установке УФС ВНИИГеофизики предусмотрено устройство для регистрации изменения порового объема пород при повышении шиг понижении внутреннего давле­ ния. В устройстве применен принцип компенсации изменения порового объема образца введением калиброванного по объему поршня в измерительный цилиндр (рис. 9). Этим обеспечивается регистрация изменения порового пространства породы под дей­ ствием как внешнего давления при постоянном норовом, так и пла­ стового давления при постоянном внешнем давлении с точностью 0,003 см3 в диапазоне порового давления до 1000 кГ/смг.

Измерение времени пробега упругой, продольной волны в об­ разце производится с помощью приборов типа ИПА-59, УЗС-2, ДУК-20 или ИКЛ-5. Электрическое сопротивление образца изме­ ряется мостом переменного тока (частота 1000 гц) с компенсацией емкостной составляющей. Величина емкости, компенсируемой во время эксперимента, является мерой диэлектрической прони­ цаемости пород. Данная схема применительно к условиям камеры высокого давления была анализирована Я. Р. Морозовичем [54].

Глава II

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОРОД ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ

1. ВЫБОР И ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ К ИССЛЕДОВАНИЮ

Одним из основных этапов исследования физических свойств горных пород при высоких давлениях и температурах является выбор образцов для измерении, их механическая обработка и определение литолого-петрографических и физических характе­ ристик образцов до помещения их в камеру давленпя. Указанные элементы общей методики, естественно, предопределяются зада­ чами исследования. Однако специфические особенности исследо­ вания физических параметров горных пород в условиях высоких давлений я температур требуют соблюдения определенных методи­ ческих приемов, обеспечивающих достоверность результатов из­ мерений.

Отбор образцов горных пород производят путем оценки сред­ них значений физических параметров пород определенного интер­ вала геологического разреза, выполненных при атмосферном давлении и комнатной температуре. Способы оценки средних значений физических параметров пород с помощью математиче­ ской статистики общеизвестны [53]. При постановке задач по ис­ следованию влияния различных литолого-петрографических или

внешних факторов (насыщающий флюид, влияние температуры при различных эффективных давлениях и др.) использование кернового материала часто затруднено его ограниченностью и неоднородностью состава. Применять искусственные образцы при решении указанных задач во многих случаях невозможно, так как они не отображают сложную структуру естественных образовании. Для указанной цели целесообразнее использовать блоки пород. Из каждого блока пород изготовляют (после изме­ рения физических характеристик блока) до. 20—30 образцов. На основании повторного определения различных физических параметров каждого образца в атмосферных условиях и обработки результатов измерений отбирают образцы с наиболее часто встре­ чающимися значениями физических параметров, близкими к вели­ чинам этих параметров для блока.

При выборе формы и размеров образца учитывается предста­ вительность объема породы, необходимая точность измеряемого параметра, возможность изоляции образца от среды, передающей давление (газ, жидкость), однородность распределения напряже­ ния и температуры по объему образца, технические особенности приборов, применяемых для измерения физических параметров при атмосферных условиях, и т. п. Согласно работам [35,71] для породы с гранулярным типом пористости представительным

При выборе длины образца учитывается техническая характе­ ристика применяемой измерительной аппаратуры. Например, серийно выпускаемые ультразвуковые сейсмоскопы позволяют определять время Ьпрохождения импульса с абсолютной ошибкой Д / = ± 0 , 2 мсек. При этом минимальная длина образца 1т-их с учетом допускаемой относительной ошибки Д* определяется уравнением

продольной волны в цилиндрических образцах необходимо также учитывать соотношение между диаметром образца а и длиной упругой продольной волны /., характеризующей область просле­ живания волны со скоростью в безграничной среде [76].

Изменение объема пор регистрируется с абсолютной ошибкой 6Уп = 0,002—0,01 см3. Такая ошибка позволяет определить изме­ нение объема с погрешностью 1—2% при начальном объеме

(4)

ствующих установках также необходимы образцы с объемом более 20 см* [41].

Выбор размеров образца обусловлен также требованием одно­ родности напряжений и деформации по всему объему исследу­ емого образца. Поскольку торцевые поверхности образца воспри­ нимают давление со стороны металлических электродов, однород­ ность распределения напряжения по объему образца нарушается. Однако считается [35], что в упругой области абсолютная вели­ чина деформации пород незначительна и поэтому влиянием сил трения на торцы образцов при длине образца / 30 лш можно пренебречь.

Таким образом, рассмотренные требования к размерам образца ограничивают минимальный их объем до 20—30 см*.

Для исключения попадания среды, передающей внешнее давление в норовое пространство образца, и раздельного исследо­ вания влияния внешнего (всестороннего) и порового давлений необходимо образец экранировать. Выбор цилиндрической формы образца во многих случаях обеспечивает простое техническое решение вопроса экранирования. Экранирование цилиндрических образцов производится путем их обертывания медной фольгой [26], либо помещением в неопреновый [105], люцитовый [102] или резиновый манжет [67] соответствующего диаметра. Цилин­ дрические образцы высверливаются с помощью лабораторных сверлильных станков, снабженных алмазной коронкой. При отсут­ ствии специальных установок можно воспользоваться токарновинторезным станком, помещая на суперт дополнительный элек­ трический мотор с корундовым кругом. Этот способ позволяет обрабатывать поверхность образца с точностью до ± 0,2 мм и исключает образование микротрещин во время механической обработки. С целью предохранения образца от нагрева при обра­ ботке желательно его смачивать растворами, химически инерт­ ными к составу породы (керосин, мыльная эмульсия и др.).

Образцы, предназначенные для исследования в камерах давле­ ния, должны быть экстрагированы и промыты от остаточных солей. Экстрагирование производят на аппаратах Сокслета в то­ луоле или спирто-бензольной смеси [41]. После экстрагирования

геофизической практике. Следует особо обратить внимание на сушку глинистых пород, поскольку в них вследствие усадки часто образуются микротрещины, приводящие к изменению физико­ механических характеристик пород.

Более сложен процесс насыщения пород различными флюи­ дами. Применяемая для этой цели методика насыщения под ваку­

умом не всегда обеспечивает полное насыщение норового про­ странства. Это особенно заметно в случае исследования скорости и удельного электрического сопротивления пород при низких поровых давлениях. Для недонасыщенных образцов увеличение порового давления от 0 до 50 кГ/см2 всегда приводит к резкому изменению измеряемого параметра. Аналогично при изучении влияния температуры замещение воздуха в субкапиллярных порах жидкостью также вносит изменение в характеристику пород. Применяемая нами методика двойного насыщения, т. е. насыщение под вакуумом с последующимнагревом до 60—80° С в этой жидкости, обеспечивает более высокую степень насыщен­ ности.

При насыщении образцов, предназначенных для измерения удельного электрического сопротивления, желательно контроли­ ровать концентрацию насыщающего раствора в сосуде, где про­ изводят насыщение до и после этого процесса. Концентрация насыщающего раствора за счет диффузионно-адсорбционных про­ цессов и растворения солей, содержащихся в породе, может изменяться. При этом изменяются начальные характеристики раствора, что вносит ошибки в последующие расчеты. В некото­ рых специальных опытах.насыщение образцов можно произво­ дить непосредственно в камере. Такой способ обеспечивает более высокую степень насыщения [103], но исключает возможность определения физико-механических характеристик насыщенных пород в атмосферных условиях.

Многообразие состава и структуры осадочных йород требует при изучении влияния количественных факторов на характер изменения физических свойств пород под действием давления и температуры знания литолого-петрографических и физико-меха­ нических характеристик каждой изучаемой породы. К числу этих характеристик относятся следующие:

1)минералогический состав и структура образца, изучаемые

спомощью петрографических шлифов;

2)минералогическая плотность породы;

3)гранулометрический и химический состав породы. Исследуемый образец должен иметь дубликат для определения

таких параметров, которые требуют механического разрушения породы.

При изучении минералогического состава пород наряду с об­ щими сведениями следует обратить внимание на тип цементации, состав цемента, геометрическую форму контактных поверхностей, размер и форму пор, наличие микротрещиноватости и другие факторы, влияющие на величину и характер изменения физиче­ ских параметров пород под действием давления и темпера­ туры.

При гранулометрическом анализе одновременно с оценкой глинистости и растворимой части породы необходимо учитывать ее отсортированность, средний размер зерен (медианный диаметр)